渗碳齿轮钢以及制备方法和应用

1.本发明属于齿轮钢生产技术领域，具体涉及一种渗碳齿轮钢以及制备方法和应用。


背景技术：

2.齿轮作为机械设备中必不可少的传递动力的重要零部件，为保证齿轮在服役过程中的安全性，齿轮必须具有较高的强度、良好的耐磨性能、较好的疲劳性能及冲击韧性。所以在齿轮制造过程中，通常采用表面渗碳等热处理工艺，使齿轮具备较好的综合性能。
3.齿轮钢经渗碳热处理后，由于渗碳层状态较复杂，因而影响渗碳齿轮钢服役性能的因素较多，其中晶粒度级别是齿轮钢出厂的重要参数，其影响着齿轮渗碳淬火后的变形、末端淬透性带宽及旋转弯曲疲劳性能。目前，渗碳齿轮钢通常采用微合金化手段控制晶粒长大，铌微合金化被认为是渗碳齿轮钢晶粒细化的最佳元素，但是nb的添加会使钢材的冶炼成本增加，塑性和韧性有所下降。此外，为了充分发挥nb对晶粒细化的作用，必须严格控制nb元素的添加含量并降低轧制温度，提高冷却速度，进而限制了其应用范围和工业化进程。因此，现有的齿轮钢制备工艺有待改进。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种渗碳齿轮钢以及制备方法和应用。采用本技术的方法制备的渗碳齿轮钢的组织结构细小均匀，其具有优异的抗拉强度和冲击韧性，具体地，渗碳齿轮钢的渗碳层晶粒度≥8.5级，渗碳层厚度≥0.8mm，表层残余奥氏体含量为14％～25％。
5.在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备渗碳齿轮钢的方法。根据本发明的实施例，包括：
6.(1)将原料冶炼得到的钢锭进行锻造，以便得到锻态齿轮钢棒材；
7.(2)对所述锻态齿轮钢棒材依次进行正火热处理和退火处理，以便得到毛坯棒材；
8.(3)对所述毛坯棒材依次进行渗碳处理、第一次低温回火处理、高温回火处理、循环多次加热淬火处理和第二次低温回火处理，以便得到渗碳齿轮钢。
9.通过将原料冶炼得到的钢锭进行锻造，得到锻态齿轮钢棒材，然后对上述锻态齿轮钢棒材依次进行正火热处理和退火处理，得到毛坯棒材，其中，正火热处理可以使棒材的组织均匀，退火处理可以消除内应力和加工硬化，改善切削加工性能，最后对上述毛坯棒材依次进行渗碳处理、第一次低温回火处理、高温回火处理、循环多次加热淬火处理和第二次低温回火处理，从而得到渗碳齿轮钢，其中，渗碳处理是将毛坯棒材在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入表层，从而增加棒材表层的碳含量并从棒材表层向内部形成一定的碳浓度梯度，从而使棒材表面获得高硬度和良好的耐磨性，而棒材心部仍然保持原始材料的塑性和韧性，第一次低温回火处理可以消除渗碳淬火后的内应力、降低脆性，防止棒材变形和开裂，特别是，发明人发现，高温回火处理可以减少渗碳热处理后组织中残余奥氏体的含
量，使渗碳试样表层残余奥氏体的含量控制在较低水平，循环多次加热淬火处理一方面可以通过改变新旧两相之间相同的晶体学位向关系，有效地消除材料的组织遗传性，从而提高材料的强韧性。另一方面可以反复地进行马氏体与奥氏体之间的相变重结晶，从而有效地利用晶粒边界效应来细化奥氏体晶粒，从而提高细晶强化的效果，即可以使渗碳齿轮钢具有细小均匀的组织结构，进而提高了渗碳齿轮钢的抗拉强度，第二次低温回火处理可以消除试样循环多次加热淬火后的内应力，提高材料的韧性并保证淬火后的高强度和高硬度，具体地，得到的试样的抗拉强度≥2000mpa，表层硬度大于62hrc。由此，采用本技术的方法制备的渗碳齿轮钢的组织结构细小均匀，其具有优异的抗拉强度和冲击韧性，具体地，渗碳齿轮钢的渗碳层晶粒度≥8.5级，渗碳层厚度≥0.8mm，表层残余奥氏体含量为14％～25％。
10.另外，根据本发明上述实施例的制备渗碳齿轮钢的方法还可以具有如下技术特征：
11.在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，所述锻造包括：在所述锻造前将所述钢锭加热至1150℃-1300℃，保温时间为1h-3h，所述锻造的开锻温度不小于1200℃，所述锻造的终锻温度不小于900℃。由此，可以得到锻态齿轮钢棒材。
12.在本发明的一些实施例中，步骤(2)中，所述正火处理的温度为850℃-950℃，保温时间为0.5h-2h。由此，可以提高锻态齿轮钢棒材的组织均匀性。
13.在本发明的一些实施例中，步骤(2)中，所述退火处理温度为600℃-700℃，保温时间为4h-8h。由此，可以消除锻态齿轮钢棒材内应力，改善切削加工性能。
14.在本发明的一些实施例中，步骤(3)中，所述渗碳处理的温度为900℃-970℃，所述渗碳处理的时间为3h-10h。由此，提高棒材表面的硬度和耐磨性。
15.在本发明的一些实施例中，步骤(3)中，所述第一次低温回火处理的温度为150℃-250℃，时间为1h-3h。由此，可以防止棒材变形和开裂。
16.在本发明的一些实施例中，步骤(3)中，所述高温回火处理温度为600℃-700℃，时间为1h-3h。由此，可以降低组织中残余奥氏体的含量。
17.在本发明的一些实施例中，步骤(3)中，所述循环多次加热淬火处理的循环次数为2-4次。由此，可以提高细晶强化效果，提高渗碳齿轮钢的抗拉强度和冲击韧性。
18.在本发明的一些实施例中，步骤(3)中，所述循环加热淬火处理的温度为750℃-900℃，保温时间为40min-3h。由此，可以提高细晶强化效果，提高渗碳齿轮钢的抗拉强度和冲击韧性。
19.在本发明的一些实施例中，步骤(3)中，所述第二次低温回火处理的温度为150℃-250℃，时间为1h-3h。由此，可以提高材料的韧性并保证淬火后的高强度和高硬度。
20.在本发明的一些实施例中，所述渗碳齿轮钢包括：0.17wt％-0.23wt％的c，0.17wt％-0.37wt％的si，0.30wt％-0.60wt％的mn，1.25wt％-1.65wt％的cr，3.25wt％-3.65wt％的ni，不大于0.005wt％的s，不大于0.01wt％的p，不大于0.0015wt％的全氧含量t[o]和余量的fe及其他不可避免的杂质元素。由此，避免使用nb元素，且得到的渗碳齿轮钢具有细小均匀的组织结构，以及优异的抗拉强度和冲击韧性。
[0021]
本发明的第二个方面，本发明提供了一种渗碳齿轮钢。根据本发明的实施例，该渗碳齿轮钢采用上述方法制备。由此，该渗碳齿轮钢具有优异的抗拉强度和冲击韧性。
[0022]
本发明的第三个方面，本发明提出了一种机械设备。根据本发明的实施例，该机械设备包括上述渗碳齿轮钢。由此，该机械设备具有较高的安全性能和使用寿命。
[0023]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0024]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0025]
图1是本发明实施例1的渗碳齿轮钢的晶粒分布图；
[0026]
图2是本发明实施例1的渗碳齿轮钢的ebsd图；
[0027]
图3是本发明对比例1的渗碳齿轮钢的晶粒分布图；
[0028]
图4是本发明对比例1的渗碳齿轮钢的ebsd图。
具体实施方式
[0029]
下面详细描述本发明的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0030]
在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备渗碳齿轮钢的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：
[0031]
s100：将原料冶炼得到的钢锭进行锻造
[0032]
该步骤中，将制备原料进行冶炼，然后得到钢锭，再对钢锭进行锻造，从而得到锻态齿轮钢棒材。进一步地，锻造包括：在锻造前将钢锭加热至1150℃-1300℃，保温时间为1h-3h，锻造的开锻温度不小于1200℃，锻造的终锻温度不小于900℃。需要说明的是，上述冶炼工艺是本领域常规工艺，本领域技术人员可根据实际进行选择，例如，本技术采用电炉冶炼+连铸+电渣重熔工艺，以保证优良的钢锭冶炼质量。
[0033]
s200：对锻态齿轮钢棒材依次进行正火热处理和退火处理
[0034]
该步骤中，对s100得到的锻态齿轮钢棒材依次进行正火热处理和退火处理，通过正火热处理可以使棒材的组织均匀，通过退火处理可以消除内应力和加工硬化，改善切削加工性能，从而得到毛坯棒材。需要说明的是，在退火处理完成后，从棒材上切取加工性能检测试样，性能检测试样的毛坯棒材的加工余量为0.5
±
0.1mm。
[0035]
根据本发明的实施例，正火处理的温度为850℃-950℃，保温时间为0.5h-2h。发明人发现，正火处理的温度太低或保温时间太短，则会造成组织偏析且内应力无法完全消除；正火处理的温度太高或保温时间太长，则会造成材料表面的氧化脱碳，且存在晶粒长大的风险。由此，本技术采用温度为850℃-950℃，保温时间为0.5h-2h的正火处理工艺，可以提高锻态齿轮钢棒材的组织均匀性。
[0036]
根据本发明的实施例，退火处理温度为600℃-700℃，保温时间为4h-8h。发明人发现，退火处理的温度太低或保温时间太短，则无法降低材料的硬度，均匀化组织、改善切削加工性；退火处理的温度太高或保温时间太长，则会造成一定的脱碳氧化。由此，本技术采用温度为600℃-700℃，保温时间为4h-8h的退火处理工艺，可以消除锻态齿轮钢棒材内应力，改善切削加工性能。
[0037]
s300：对毛坯棒材依次进行渗碳处理、第一次低温回火处理、高温回火处理、循环多次加热淬火处理和第二次低温回火处理
[0038]
该步骤中，对s200得到的毛坯棒材依次进行渗碳处理、第一次低温回火处理、高温回火处理、循环多次加热淬火处理和第二次低温回火处理，其中，渗碳处理是将毛坯棒材在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入表层，从而增加棒材表层的碳含量并从棒材表层向内部形成一定的碳浓度梯度，从而使棒材表面获得高硬度和良好的耐磨性，而棒材心部仍然保持原始材料的塑性和韧性，第一次低温回火处理可以消除渗碳淬火后的内应力、降低脆性，防止棒材变形和开裂，特别是，发明人发现，高温回火处理可以减少渗碳热处理后组织中残余奥氏体的含量，使渗碳试样表层残余奥氏体的含量控制在较低水平，循环多次加热淬火处理一方面可以通过改变新旧两相之间相同的晶体学位向关系，有效地消除材料的组织遗传性，从而提高材料的强韧性，另一方面可以反复地进行马氏体与奥氏体之间的相变重结晶，从而有效地利用晶粒边界效应来细化奥氏体晶粒，从而提高细晶强化的效果，即可以使渗碳齿轮钢具有细小均匀的组织结构，进而提高了渗碳齿轮钢的抗拉强度，第二次低温回火处理可以消除试样循环多次加热淬火后的内应力，提高材料的韧性并保证淬火后的高强度和高硬度，具体地，得到的试样的抗拉强度≥2000mpa，表层硬度大于62hrc。
[0039]
根据本发明的实施例，渗碳处理的温度为900℃-970℃，渗碳处理的时间为3h-10h。发明人发现，渗碳处理的温度太低或渗碳处理的时间太短，则会造成渗碳过程中碳的扩散不充分，无法满足渗碳层厚度的要求；渗碳处理的温度太高或渗碳处理的时间太长，则会造成表面碳浓度过高，晶粒的过分长大。由此，本技术采用温度为900℃-970℃，时间为3h-10h的渗碳处理方法，可以提高棒材表面的硬度和耐磨性。进一步地，第一次低温回火处理的温度为150℃-250℃，时间为1h-3h，从而可以防止棒材变形和开裂。
[0040]
根据本发明的实施例，高温回火处理温度为600℃-700℃，时间为1h-3h。发明人发现，高温回火处理温度太低或时间太短，则无法使残余奥氏体充分分解，达不到降低残余奥氏体含量的目的；高温回火处理温度太高或时间太长，则降低材料的强度和硬度。由此，本技术采用温度为600℃-700℃，时间为1h-3h的高温回火处理方法，可以降低组织中残余奥氏体的含量。
[0041]
根据本发明的实施例，循环加热淬火处理的温度为750℃-900℃，保温时间为40min-3h。发明人发现，循环加热淬火处理的温度太低或时间太短，则无法达到细化晶粒的效果；循环加热淬火处理的温度太高或时间太长，则会存在晶粒长大的风险。由此，本技术采用温度为750℃-900℃，保温时间为40min-3h的循环加热淬火处理方法，可以提高细晶强化效果，从而提高渗碳齿轮钢的抗拉强度和冲击韧性。
[0042]
根据本发明的实施例，循环多次加热淬火处理的循环次数为2-4次，发明人发现，循环多次加热淬火处理的循环次数小于2，则对材料细化晶粒的效果不明显；循环多次加热淬火处理的循环次数大于4，则晶粒尺寸不再发生细化，晶粒细化的效果达到极限，由此，本技术采用循环次数为2-4次的循环多次加热淬火处理，可以提高渗碳齿轮钢的抗拉强度和冲击韧性。进一步地，第二次低温回火处理的温度为150℃-250℃，时间为1h-3h，从而可以提高材料的韧性并保证淬火后的高强度和高硬度。
[0043]
根据本发明的实施例，渗碳齿轮钢包括：0.17wt％-0.23wt％的c，0.17wt％-0.37wt％的si，0.30wt％-0.60wt％的mn，1.25wt％-1.65wt％的cr，3.25wt％-3.65wt％的
ni，不大于0.005wt％的s，不大于0.01wt％的p，不大于0.0015wt％的全氧含量t[o]和余量的fe及其他不可避免的杂质元素。由此，避免使用nb元素，且得到的渗碳齿轮钢具有细小均匀的组织结构，以及优异的抗拉强度和冲击韧性。
[0044]
由此，采用本技术的方法制备的渗碳齿轮钢的组织结构细小均匀，其具有优异的抗拉强度和冲击韧性，具体地，渗碳齿轮钢的渗碳层晶粒度≥8.5级，渗碳层厚度≥0.8mm，表层残余奥氏体含量为14～25％。
[0045]
本发明的第二个方面，本发明提供了一种渗碳齿轮钢。根据本发明的实施例，该渗碳齿轮钢采用上述方法制备。由此，该渗碳齿轮钢具有优异的抗拉强度和冲击韧性。需要说明的是，上述针对制备渗碳齿轮钢的方法所描述的特征和优点同样适用于该渗碳齿轮钢，此处不再赘述。
[0046]
本发明的第三个方面，本发明提出了一种机械设备。根据本发明的实施例，该机械设备包括上述渗碳齿轮钢。由此，该机械设备具有较高的安全性能和使用寿命。需要说明的是，上述针对渗碳齿轮钢及其制备方法所描述的特征和优点同样适用于该机械设备，此处不再赘述。
[0047]
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
[0048]
实施例1
[0049]
本实施例齿轮钢的原料为：c：0.20wt％；si：0.26wt％；mn：0.44wt％；p：0.005wt％；s：0.0042wt％；cr：1.45wt％；ni：3.38wt％；o：0.0012wt％；n：0.0080wt％。
[0050]
采用电炉+连铸+电渣重熔的冶炼工艺生产，将上述原料制备成钢锭，钢锭规格为φ80
×
1000mm，将钢锭进行锻造处理，加热到1220℃保温2h，开锻温度为1200℃，终锻温度为1100℃，锻成φ16mm的棒材，堆冷至室温；为保证组织均匀，将上述锻造棒材进行920℃保温0.5h的正火处理，随后再进行680℃保温5h的退火处理。从φ16mm棒材上切取加工性能检测试样，随后进行渗碳热处理，渗碳热处理采用真空渗碳炉，极限真空度为4.0
×
10-1
pa，加热功率为63kw，炉内所采用的气氛为n2和乙炔(c2h2)。将试样在碳势c
p
＝1.0％下加热至930℃保温7h；然后将渗碳温度降低至830℃保温0.5h，此过程中碳势也相应地降低至0.8％；完成渗碳热处理后的试样进行油淬至室温，随即进行180℃
×
2h的第一次低温回火处理；为减少渗碳热处理后组织中残余奥氏体的含量，将试样进行680℃
×
2h高温回火处理，然后进行循环多次加热淬火处理，具体的工艺为：将试样加热到880℃保温45min后油淬至室温，随后再将试样加热至860℃保温45min，油淬至室温，最后进行180℃
×
2h的第二次低温回火处理，空冷。
[0051]
实施例2
[0052]
本实施例齿轮钢的原料为与实施例1相同，采用与实施例1相同的冶炼制备工艺和渗碳热处理工艺。不同的是完成渗碳处理后的180℃
×
2h的第一次低温回火处理和680℃
×
2h高温回火处理之后，对试样进行3次加热淬火处理，具体的工艺为：将试样加热到880℃保温45min后油淬至室温，随后再将试样加热至860℃保温45min，油淬至室温，随后再将试样加热至860℃保温45min，油淬至室温，最后进行180℃
×
2h的第二次低温回火处理，空冷。
[0053]
实施例3
[0054]
本实施例齿轮钢的原料为与实施例1相同，采用与实施例1相同的冶炼制备工艺和
渗碳热处理工艺。不同的是完成渗碳处理后的180℃
×
2h的第一次低温回火处理和680℃
×
2h高温回火处理之后，对试样进行4次加热淬火处理，具体的工艺为：将试样加热到880℃保温45min后油淬至室温，随后再将试样加热至860℃保温45min，油淬至室温，随后再将试样加热至860℃保温45min，油淬至室温，随后再将试样加热至860℃保温45min，油淬至室温最后进行180℃
×
2h的第二次低温回火处理，空冷。
[0055]
对比例1
[0056]
对比例1与实施例1的主要区别为：将试样进行680℃
×
2h高温回火处理后，将试样加热至850℃保温45min后油淬至室温，最后进行200℃
×
2h的第二次低温回火处理，空冷。
[0057]
实施例1的渗碳齿轮钢的晶粒分布图和ebsd图如图1和图2所示，对比例1的渗碳齿轮钢的晶粒分布图和ebsd图如图3和图4所示。从图1和图3可以看出，试样渗碳层的晶粒达到一定程度的细化，晶粒度的级别由8.25级细化至8.76级；从图2和图4可以看出，实施例1的试样渗碳层的奥氏体含量有所减少且残余奥氏体的尺寸明显细化。
[0058]
对实施例1-3和对比例1的渗碳齿轮钢的组织性能和常规力学性能进行测定，具体结果见表1。
[0059]
表1
[0060][0061]
从表1可以看出，实施例1-3的渗碳齿轮钢的渗碳层晶粒度≥8.5级，渗碳层厚度≥0.8mm，表层残余奥氏体含量在14～25％之间，在强度提升的同时韧性也有所提升，从而满足了齿轮材料服役过程中“外强内韧”的要求。
[0062]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0063]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种制备渗碳齿轮钢的方法，其特征在于，包括：(1)将原料冶炼得到的钢锭进行锻造，以便得到锻态齿轮钢棒材；(2)对所述锻态齿轮钢棒材依次进行正火热处理和退火处理，以便得到毛坯棒材；(3)对所述毛坯棒材依次进行渗碳处理、第一次低温回火处理、高温回火处理、循环多次加热淬火处理和第二次低温回火处理，以便得到渗碳齿轮钢。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述锻造包括：在所述锻造前将所述钢锭加热至1150℃-1300℃，保温时间为1h-3h，所述锻造的开锻温度不小于1200℃，所述锻造的终锻温度不小于900℃。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述正火处理的温度为850℃-950℃，保温时间为0.5h-2h；任选地，所述退火处理温度为600℃-700℃，保温时间为4h-8h。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述渗碳处理的温度为900℃-970℃，所述渗碳处理的时间为3h-10h；任选地，所述第一次低温回火处理的温度为150℃-250℃，时间为1h-3h。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述高温回火处理温度为600℃-700℃，时间为1h-3h。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述循环多次加热淬火处理的循环次数为2-4次；任选地，所述循环加热淬火处理的温度为750℃-900℃，保温时间为40min-3h。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述第二次低温回火处理的温度为150℃-250℃，时间为1h-3h。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述渗碳齿轮钢包括：0.17wt％-0.23wt％的c，0.17wt％-0.37wt％的si，0.30wt％-0.60wt％的mn，1.25wt％-1.65wt％的cr，3.25wt％-3.65wt％的ni，不大于0.005wt％的s，不大于0.01wt％的p，不大于0.0015wt％的全氧含量t[o]和余量的fe及其他不可避免的杂质元素。9.一种渗碳齿轮钢，其特征在于，采用权利要求1-8中任一项所述方法制备。10.一种机械设备，其特征在于，包括权利要求9所述的渗碳齿轮钢。

技术总结
本发明公开了一种渗碳齿轮钢以及制备方法和应用。制备渗碳齿轮钢的方法包括：(1)将原料冶炼得到的钢锭进行锻造，以便得到锻态齿轮钢棒材；(2)对锻态齿轮钢棒材依次进行正火热处理和退火处理，以便得到毛坯棒材；(3)对毛坯棒材依次进行渗碳处理、第一次低温回火处理、高温回火处理、循环多次加热淬火处理和第二次低温回火处理，以便得到渗碳齿轮钢。该方法制备的渗碳齿轮钢的组织结构细小均匀，其具有优异的抗拉强度和冲击韧性，具体地，渗碳齿轮钢的渗碳层晶粒度≥8.5级，渗碳层厚度≥0.8mm，表层残余奥氏体含量为14％～25％。表层残余奥氏体含量为14％～25％。表层残余奥氏体含量为14％～25％。


技术研发人员：张弛 肖娜 车翰林 陈浩 杨志刚
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/8/13